Qual é a espessura crítica da bainha para aquecedores de aço inoxidável 316 em solução de gravação de cloreto férrico a 15% a 55 graus com submersão parcial

A compensação básica-no serviço de cloreto oxidante agressivo

FeCl₃ (cloreto férrico) é um dos compostos mais cáusticos frequentemente utilizados em corrosão industrial e tratamento de águas residuais. Na concentração de 15% e 55°C esta solução possui três fatores agressivos: alta concentração de íons cloreto (cerca de 10% em peso), um íon férrico oxidante mantendo um alto potencial eletroquímico e um pH ácido (geralmente 1,5-2,5). Este ambiente está bem fora da faixa operacional padrão do aço inoxidável 316. A temperatura crítica de corrosão para 316 em cloreto férrico é inferior a 30°C e, portanto, a 55°C, a corrosão é certa e rápida. Neste serviço a função da espessura da bainha não é prevenir a corrosão, mas fornecer reserva de metal suficiente para poder sobreviver à corrosão esperada e ao ataque uniforme por uma vida útil limitada. A espessura crítica é a espessura mínima que pode ser perfurada no tempo necessário de operação e além da qual o metal adicional tem retornos decrescentes à medida que a taxa de corrosão é autoacelerada.

Pitting em soluções de cloreto férrico

O teste usual para resistência à corrosão de aços inoxidáveis ​​é ASTM G48 (não G46). O teste emprega 6% de cloreto férrico a 50°C. Sob essas condições, o aço inoxidável 316 geralmente apresenta corrosão após 24 a 72 horas com profundidades de corrosão de 0,2 a 0,5 mm. A agressividade é muito maior em cloreto férrico a 15% a 55°C. Achados laboratoriais revelam que 316 cupons de aço inoxidável expostos a 15% de FeCl3 a 55 graus desenvolvem corrosão visível dentro de 4-8 horas, com profundidades de corrosão atingindo 0,5-1,0 mm após 100 horas de exposição contínua. O pite é um processo autocatalítico, uma vez que um pite é iniciado, a hidrólise do cloreto férrico dentro do pite cria um ambiente muito ácido e rico em cloreto que favorece a dissolução subsequente. As taxas de crescimento de fossas neste ambiente são lineares ou ligeiramente aceleradas, geralmente 0,1-0,3 mm por dia de exposição contínua. Para um aquecedor intermitente, como 8 horas por dia, 5 dias por semana, a taxa efetiva de desenvolvimento de poço é de cerca de 0,03-0,10 mm a cada dia de operação. A profundidade máxima projetada do poço para uma vida útil de seis meses (aproximadamente. 500 horas de operação) é de 2 a 5 mm.

Imersão Parcial e Ataque na Fase Vapor

A necessidade de submersão parcial acrescenta um segundo mecanismo de falha, mais perigoso. A interface líquido-vapor é particularmente severa no serviço de cloreto férrico, uma vez que a evaporação concentra o sal na superfície da bainha acima da linha de líquido. A água evapora e os cristais de cloreto férrico acumulam-se na bainha quente. Esses cristais deliquescentes sugam a umidade da atmosfera e criam uma salmoura saturada que é mais corrosiva que a solução a granel. A temperatura do líquido é geralmente inferior à temperatura da parte exposta da bainha ao vapor, porque o resfriamento a ar é menos eficaz que o resfriamento a líquido. Para um aquecedor com comprimento total de imersão de 500 mm e 100 mm acima do líquido, a seção exposta pode ser de 80-100°C e a seção imersa de 55-60°C. A estas temperaturas mais elevadas, a taxa de corrosão na zona de vapor pode ser 5 a 10 vezes maior do que no líquido. Inspeções repetidas de campo de aquecedores parcialmente submersos em tanques de cloreto férrico mostraram que a falha ocorre na interface líquido-vapor e não na região totalmente imersa. Assim, a espessura crítica para este serviço é controlada pela taxa de ataque na interface e não pela corrosão líquida em massa.

Restrições térmicas e o limite de paredes espessas

A penalidade térmica de paredes espessas é problemática no serviço com cloreto férrico, criando um perigoso ciclo de feedback. Se o aquecedor estiver parcialmente imerso, a parte exposta é resfriada por convecção natural ao ar. O coeficiente de transmissão de calor do ar é de apenas 10-30 W/m2·K, mas para o líquido é de 500-1000 W/m2·K. A parte exposta queima a uma temperatura muito mais elevada do que a parte imersa. Usar uma parede mais espessa (2,5 mm em vez de 1,5 mm) aumenta a temperatura da parte exposta em mais 15-25°C, porque a parede maior isola o fio de resistência interno. A taxa de corrosão do aço inoxidável 316 em salmoura de cloreto férrico a 120°C é aproximadamente três vezes maior que a 100°C. A parede mais espessa, embora pretenda uma maior reserva de metal, pode de facto diminuir a vida útil, uma vez que aumenta a temperatura da superfície e acelera o ataque. A modelagem térmica sugere que um aquecedor de diâmetro externo de 12 mm trabalhando a 8 W/cm² em cloreto férrico a 55°C com 100 mm exposto ao ar a 25°C terá a seção exposta a 95°C para uma parede de 1,2 mm, 110°C para uma parede de 1,8 mm e 125°C para uma parede de 2,5 mm. A taxa de corrosão a 125 graus é aproximadamente cinco vezes maior que a 95 graus. Portanto a vida útil efetiva não aumenta proporcionalmente à espessura.

Recomendações de espessura crítica para serviços de curto prazo

Devido ao ambiente agressivo e à natureza-autoacelerada do ataque, a filosofia de projeto dos aquecedores de cloreto férrico deve mudar de "vida longa" para "vida curta previsível com substituição planejada". É necessária uma espessura mínima de 1,8-2,0 mm para uma vida útil de 6 meses com 8 horas de operação por dia. A espessura fornece reserva de metal suficiente para resistir à corrosão prevista de 2 a 5 mm no contato líquido-vapor. As paredes mais finas de 1,2 a 1,5 mm geralmente perfuram em 2 a 4 meses. Paredes mais espessas não são sugeridas acima de 2,5 mm, uma vez que a penalidade térmica eleva a temperatura da seção exposta para a faixa de temperatura onde a corrosão acelera até o ponto em que o metal adicional não proporciona nenhuma vantagem líquida. A vida útil de 3 meses é suficiente com uma espessura de 1,5 a 1,6 mm.. 1.2mm de espessura pode ser suficiente para uma vida útil de um mês ou para procedimentos de lote único. Em todas as circunstâncias, o aquecedor deve ser visto como um consumível com um cronograma de substituição definido.

Estratégias alternativas que vencem paredes mais grossas

O aço inoxidável 316 em qualquer espessura prática não resistirá de forma confiável ao uso-de longo prazo em cloreto férrico a 15% a 55°C com submersão parcial. A questão importante da engenharia não é qual espessura usar. É se 316 pode ser usado. O material padrão para aquecimento com cloreto férrico é o titânio (Grau 2). O titânio produz um revestimento passivo estável em cloreto férrico e não forma corrosão mesmo a 80-90°C. Uma bainha de titânio de 1,0-1,2 mm durará 10-20 vezes mais do que uma bainha 316 de 2,5 mm. Se o titânio não estiver disponível, uma excelente resistência pode ser obtida com aquecedores revestidos com fluoropolímero (PTFE ou PFA sobre um núcleo 316) que isolam o metal da solução. No entanto, se a aplicação for tal que o aquecedor esteja sempre totalmente submerso (sem interface de vapor), então o 316 com 2,0 mm de espessura poderá durar de 6 a 12 meses, mas a opção de revestimento ou titânio ainda é melhor.

Conclusão: Espessura crítica para definição da vida útil

A espessura essencial da bainha para aquecedores de aço inoxidável 316 em cloreto férrico a 15% a 55 graus com submersão parcial é de 1,8-2,0 mm para uma vida útil de seis-meses sob operação intermitente. Esta espessura é um compromisso entre a necessidade de reserva de metal e a aceleração térmica da corrosão que ocorre com paredes mais espessas. Paredes finas falham prematuramente por perfuração no contato líquido-gás. Barreiras mais grossas não acrescentam vida, mas aceleram o ataque e aumentam o calor da seção exposta. O conselho mais importante é evitar 316 SS neste serviço se existir alguma alternativa. Quando necessário, o engenheiro deverá fornecer a vida útil projetada em meses, as horas diárias de operação e o comprimento da zona de vapor exposta. Esta informação determinará se o 316 é adequado ou se são necessárias bainhas de titânio ou revestidas. A especificação deve conter adicionalmente um cronograma de inspeção obrigatório na metade da vida útil estimada para monitorar as profundidades do poço e determinar se a substituição antecipada é necessária.